オーストリアの研究者、生分解性素材で柔らかいアクチュエーターを開発

2022年2月12日, 17:00

オーストリアの研究者たちは、生分解性のバイオインクを用いて安定した寸法の複雑な物体を造形できる押し出し式3Dプリントプロセスを開発した。このバイオインクはゼラチンベースのヒドロゲルからなり、元の長さの6倍まで伸びる。

これは柔らかいロボット工学の新たな応用の可能性を示し、廃棄物を出さない製造への扉を開くものだ。柔らかいロボット工学の技術者は、人間や他の生物と相互作用するロボット機器を設計する際に自然から着想を得ている。しかし、こうした機器の製造工程では、リサイクルできない廃棄物が出ることが多い。

さらに、鋳型成形などの従来の製造方法では、柔らかいロボット工学の複雑な用途の要求を満たすことができない。したがって、柔らかいロボット工学の進歩には、新たな製造方法と環境持続性の向上が求められている。

柔らかいロボット工学の利点と課題

柔らかいロボットは、工業生産現場で使われる硬いロボットとは異なる。自然の模倣に基づき、柔らかく適応性のある素材で作られた柔らかいロボットは、産業、医療、社会における複雑な課題の解決に役立っている。

しかし、センサーやアクチュエーターを使用する柔らかいロボット機器は、環境に大きな影響を与える。この点で、生分解性素材で作られた柔らかいロボットのアクチュエーターが望まれている。

ヒドロゲル、ポリエステル、タンパク質を用いて、生分解性の柔らかいロボット部品を製造する試みが行われてきた。しかし、従来の鋳型成形法では、現代の柔らかいロボットが実現できる自由度に制約がある。

そのため、柔軟なセンサーを組み込んだ複雑なロボット機器には、3D押し出し印刷などの新たな製造アプローチが必要とされている。

生分解性ロボットの印刷

オーストリアのヨハネス・ケプラー・リンツ大学のチームは、センサーネットワークを内蔵した柔らかいロボットのアクチュエーターを製造するための3Dプリント手法を開発した。この手法は熔融積層法（FDM）に基づいており、連続したバイオゲル材料のフィラメントを加熱したエクストルーダーヘッドに通して目的の物体を形成する。達成可能な最小の要素サイズは0.6ミリメートルである。

柔らかく伸縮性のある素材は、柔らかいロボット用アクチュエーターの開発に不可欠である。セルロース、アルギン酸塩、ゼラチンなどのバイオポリマーは、工学用途向けの生分解性素材の製造に使われてきた。オーストリアのチームは、本研究のために高い伸縮性（最大変形率500%）を持つゼラチンベースのヒドロゲル（バイオゲル）を開発した。

ゼラチンは、食品に一般的に使用されるコラーゲンの加水分解形態である。無味無色のポリマーで、動物の体の部位から得られる。その汎用性から、組織工学や光ファイバーを含む幅広い工学的課題に使用されている。

オーストリアのチームが達成した素材の特性は、ゼラチンにグリセリンと糖蜜を加えた結果である。さらに、クエン酸が細菌の増殖を抑制する。この理想的な配合により、排水中で数日のうちに素材が酵素によって分解され、また環境条件下で1年以上の保存期間を持つ。

このバイオゲルは、どの方向にも最大74度まで曲がる空気圧式の柔らかいアクチュエーターの製造に使用できる。さらに、バイオゲルは最大5回まで印刷に再利用できる。

チームは、バイオゲルの加熱、保存、再利用の影響を調べた。24時間後に素材の最大変形率が470%まで低下したことが確認されたが、これは鋳型成形で作られたバイオゲルを140%上回る数値である。

彼らのバイオゲルは、環境条件下で12日間保存した後も430%を超える最大変形率を保持しており、柔らかいロボット工学の応用に必要とされる200%を大きく上回る。

オーストリアの研究者たちは、バイオゲルを用いて光導波路も印刷した。これは透過光の損失によって変形を検出する。彼らはバイオゲル中の水分量を調整することで、導波路の屈折率を制御できた。

最後に、研究者たちは3つの室を持つアクチュエーター（高さ60mm、直径16.6mm）を印刷した。3つの電空圧レギュレーター、単一の圧力源、そして膨張室の並列配置により、全方向への動きが可能になった。

作動状態と対応する圧力値の二次元マップを作成することで、標準的なゲームコントローラーでロボットを操作できた。チームは、障害物を検知して取り除けるように、探索と清掃の手順をプログラムすることで、ロボットの能力を実証した。

伸縮可能な導波路と柔らかいアクチュエーターを組み合わせることで、オーストリアの研究者たちは曲率、方向、力の測定を高精度に制御し、製造コストと廃棄物の量を削減することに成功した。

研究者たちは、この技術がいずれ、体内を泳ぎながら薬剤を届けたり損傷した組織を修復したりできる超小型の柔らかいロボットにつながると考えている。また、「ゼラチンロボット」は、放射線量の高い区域など、敏感な環境に侵入するためにも使用できる可能性がある。この技術は子ども向けのおもちゃの製造にも応用できるかもしれない。